一种双向传输的可见光通信装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种双向传输的可见光通信装置，包括功能型LED收发模组，PIN/APD并LED收发模组，接收端滤波模块、放大器；功能型LED收发模组由N个在LED外延结构上加了功能型材料的双功能LED器件组成，双功能LED能够分别工作于发光模式和光电探测模式；PIN/APD并LED收发模组由PIN或APD光电探测器及LED组成；接收端滤波、放大器由滤波电桥、自动增益放大器或运算放大器组成。所述装置的下行系统包括功能型收发模组中的LED发射端，PIN/APD光电探测器接收端，放大器；上行系统包括PIN/APD并LED收发模组中的LED发射端、功能型收发模组中LED接收端、滤波电路、放大器。所述双向通信装置能同时实现下载和上传数据信息，上行通信峰值波长与下行通信峰值波长相差20?100nm，可有效避免信号窜扰。
【专利说明】
一种双向传输的可见光通信装置
技术领域
[0001]本发明涉及可见光通信技术领域，更具体的，涉及一种可双向传输的可见光通信
目.0
【背景技术】
[0002]可见光通信兼具照明、通信和控制定位等功能，具有能耗低、购置设备少等优势，符合国家节能减排战略。此外，可见光通信无电磁污染，可见光波段和射频信号不相互干扰，对人眼安全，频谱无需授权即可使用。同时它也适合信息安全领域应用，只要遮挡住可见光，照明信息网内的信息就不会外泄，具有高度保密性。可见光通信被评为2011年全球50大科技发明之一，也是未来5G通信的备用方案。
[0003]在可见光通信系统中，原始的二进制比特流经过预处理和编码调制之后，驱动LED，对LED进行强度调制，将电信号转换为光信号。光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，对信号进行信号处理、解调制和解码等过程之后，恢复出原始的发送信号，实现通信。
[0004]可见光通信是照明与通信的深度耦合，推动下一代照明和接入网的发展与技术进步。而LED替代白炽灯和荧光灯用于通用照明已是大势所趋，固态照明的普及将使可见光通信的光源无处不在。无论从国家战略层面，还是节能减排的迫切需求，或者巨大的市场潜力来考虑，可见光通信技术已成为国际竞争的焦点和制高点。
[0005]然而可见光通信领域技术点多，涉及面广，可参考的方案少。现行商用LED光源有限的调制带宽、可见光波段探测器技术不成熟(商用光电探测器响应的峰值波长在红外波段，其在可见光波段的响应度低)及滤波配置、光传输的多径效应、双向通信中的光串扰、集成模块的缺失等严重制约着可见光通信系统容量的提升与小型集成化的发展，阻碍了可见光通信的商用化进程。当前，可见光通信技术研究主要集中在先进调制和高速传输技术方面，而对发射与接收端关键器件、专用收发集成模块的研发，国内外都还处于起步阶段，因此在器件和装置技术上的突破，对可见光通信技术真正商用化的进程具有重要推进作用。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供一种双向传输的可见光通信装置，包括功能型LED收发模组、PIN/APD并LED收发模组，实现双向通信，有利于可见光通信小型集成化的发展;其上行通信链路中的LED发射端的工作峰值波长与下行通信链路中的LED发射端的工作峰值波长相差20-100nm，能同时实现下载和上传数据信息，避免信号串扰，提升系统容量。
[0007]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
一种双向传输的可见光通信装置，能够在可见光波段范围内同时实现下载和上传数据，包括上行通信链路和下行通信链路，具体包括放大器，偏置树，功能型LED收发模组，ΡΙΝ/AH)并LED收发模组和滤波电路模块;功能型LED收发模组包括工作于发光模式的LED发射端和工作于光电探测模式的LED接收端，ΡΙΝ/AH)并LED收发模组包括ΡΙΝ/AH)光电探测器和LED发射端； 所述上行通信链路由放大器，偏置树，PIN/Aro并LED收发模组中的LED发射端、功能型LED收发模组中的工作于光电探测模式的LED接收端、滤波电路模块和放大器组成，实现LED到LED的通信;其中ΡΙΝ/AH)并LED收发模组中LED发射端的工作峰值波长为370nm-410nm，功能型LED收发模组中的工作于光电探测模式的LED接收端为加了功能型材料的双功能LED(功能型LED接收端)，其响应曲线的峰值波长在360nm-420nm，接收到的信号进一步经过滤波和放大处理，实现LED到LED的通信；
所述下行通信链路由放大器、偏置树、功能型LED收发模组中工作于发光模式的LED发射端、PIN/APD并LED收发模组中的PIN/APD光电探测器和放大器组成；其中功能型LED收发模组中工作于发光模式的LED发射端的工作峰值波长为430-470nm，接收端为ΡΙΝ/AH)并LED收发模组中的商用S1-PIN光电探测器或S1-AH)光电探测器，接收到的信号进一步经过放大处理，实现LED到ΡΙΝ/AH)光电探测器的通信。
[0008]上行通信链路中的发射端LED的工作峰值波长与下行通信链路中的发射端LED的工作峰值波长相差20-100nm;
功能型LED收发模组由N个在LED外延结构上加了功能型材料的双功能LED器件组成，N为大于等于I的正整数，可同时发射和接收信号。
[0009]优选的，上述功能型LED收发模组是在LED外延结构最上层外延生长一层功能型材料，该功能型材料为重掺杂的η型ZnO层，S卩n+-ZnO，其掺杂的载流子浓度在118Cnf3到121Cm一3量级范围内，其厚度为10纳米至400纳米;具体为掺Al的ZnO(AZO)或掺Ga的ZnO(GZO)层，该双功能LED可以作为信号发射端(工作于发光模式)也可以作为信号接收端(工作于光电探测模式)，称为功能型LED收发模组。
[0010]为了提高功能型LED收发模组中工作于发光模式的LED发射端的光功率-电压曲线的线性度和通信质量，其LED发光面为圆形状，或者为长宽比小于或等于5:1的矩形，优选3:1;
功能型LED收发模组中工作于光电探测模式的LED接收端:其结构为:n+-ZnO/ InGaN/p-GaN/MQW/n-GaN基因结构单元，光响应曲线的峰值波长在360nm_420nm范围，可探测到近紫外-蓝光波段的信号，其峰值响应度大于0.1A/W。
[0011]优选的，上述功能型LED收发模组中N个LED器件是串联或并联模式，或是串联加并联的级联模式；
功能型LED收发模组是通过芯片工艺层面将N个LED器件集成于同一个外延片上实现级联，或通过COB形式实现级联，或是分立的LED器件组合；
LED器件的封装形式是正装或倒装。
[0012]优选的，上行通信链路，其通信过程为:调制的信号经过放大器和偏置树，驱动PIN/Aro并LED收发模组中的LED发射端，实现电光转换，发射信号，经过自由空间，到功能型LED收发模组中工作于光电探测模式的LED接收端接收信号，实现光电转换，再经过滤波电路模块和放大器放大信号，并最终做信号解调处理，实现LED到LED的通信。
[0013]优选的，上行通信链路的PIN/Aro并LED收发模组中的LED发射端，其工作的峰值波长为370nm-410nm，LED接收端是加了功能型材料的双功能LED，即功能型LED接收端工作于光电探测模式的LED，其响应曲线的峰值波长为360nm-420nm，接收到的信号进一步经过滤波和放大处理。
[0014]优选的，所述的下行通信链路，其通信过程为:调制的信号经过放大器和偏置树，驱动功能型LED收发模组中工作于发光模式的LED发射端，实现电光转换，发射信号，经过自由空间，到ΡΙΝ/AH)并LED收发模组中的ΡΙΝ/AH)探测器接收实现光电转换，进一步经过放大器放大信号，并最终做信号解调处理。
[0015]优选的，下行通信链路的功能型LED收发模组中的功能型LED发射端，工作于发光模式，其工作的峰值波长为430-470nm，接收端为ΡΙΝ/AH)并LED收发模组中的ΡΙΝ/AH)探测器，接收到的信号进一步经过放大处理。
[0016]该发明提出的一种可双向传输的可见光通信装置，可能同时实现下载和上传数据信息。功能型LED收发模组可促进可见光通信系统往小型集成化方向发展，上行通信波长与下行通信波长相差20-100nm，可避免信号串扰，提升系统容量。
【附图说明】
[0017]图1是本发明提出的一种双向传输的可见光通信装置的示意图。
[0018]图2是本发明提出的双向传输可见光通信装置的LED光谱曲线及探测器光响应曲线图示例。
[0019]图3是本发明提出的双功能LED结构示意图。
[0020]图4是本发明提出的一种双功能LED外延结构图。
[0021]图5是一种基于芯片层面通过侧壁保护工艺实现高压串联的双功能LED结构图。
[0022]图6是一种基于芯片层面通过空气桥工艺实现高压串联的双功能LED结构图。
[0023]图7是一种基于芯片层面并联的双功能LED结构图。
[0024]图8是分立封装的双功能LED器件模型示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]本发明提出的一种双向传输的可见光通信装置，可在可见光波段范围内同时实现下载和上传数据，其装置包括功能型LED收发模组，PIN/APD并LED收发模组，接收端滤波模块、放大器。
[0027]如图1所示的双向传输的可见光通信系统中，下行通信过程为:调制信号经放大器放大信号，和直流电压一同通过偏置树加载在功能型LED收发模组中工作于发光模式的LED发射端上，使得LED发出光强交替变化的光信号，经由自由空间传输到PIN或者AH)光电探测器，接下来探测到的信号经过放大器放大，并进一步解调，实现通信。上行通信过程为:调制信号经放大器放大信号，和直流电压一同通过偏置树加载在LED发射端上，使得LED发出光强交替变化的光信号，经由自由空间传输到功能型LED收发模组中工作于光电探测模式的LED接收端，接下来探测到的信号经过滤波电路及放大器实现有用信号的放大，最后进行信号解调，实现通信。
[0028]发射端的光谱曲线和接收端的光谱响应曲线直接影响通信质量，所述的一种双向传输的可见光通信方法及装置包含2条发射端光谱曲线和2条接收端光谱响应曲线，优选的实施例中(图2)，下行通信链路中，LED发射端的工作峰值波长在430-470nm范围内，接收端商用光电探测器光谱响应范围覆盖可见光到红外，其峰值波长在SOOnm附近;上行通信链路中，LED发射端的工作峰值波长在370nm-410nm范围内，接收端LED响应曲线的峰值波长在360nm-420nm范围内(其在正向偏置时发光的峰值波长与下行通信链路中LED发射端的一样，为430-470nm)o
[0029]下行通信链路可以通过采用0FDM、DMT、CAP调制等高级调制方式实现高速通信，可达到Gbps量级;优选的，上行通信链路可以采用00Κ、ΡΡΜ等调制格式实现基本通信，可达到Mbps量级。
[0030]双功能LED的结构模型(图3 )，优选的，主要包含η型GaN半导体材料、InGaN/GaN基多量子阱(MQW)结构、？型6&~半导体材料、InGaN半导体材料、顶层功能型材料。
[0031 ]双功能LED外延结构(图4)，包含蓝宝石衬底，AlN成核层，不掺杂的GaN(U-GaN)层，重掺杂的η型GaN层(n+-GaN)，InGaN/GaN基MQW层，掺杂的P型GaN层(P+-GaN)，InGaN接触层，功能型的重掺ZnO层(n+-ZnO)。优选的，n+-ZnO层掺杂的载流子浓度在118Cnf3到121Cnf3量级范围内，其厚度为10纳米至400纳米，具体为掺Al的ZnO(AZO)或掺Ga的ZnO(GZO)层。该双功能LED可以作为信号发射端(工作于发光模式)也可以作为信号接收端(工作于光电探测模式)。
[0032]双功能LED的级联方式可以在芯片层面实现，优选的，通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术实现双功能LED子芯片之间的电学隔离，通过绝缘层S12等材料实现器件侧壁隔离(图5)，使用金属互联线连接相邻LED的P极和η极，形成高压级联LED，或者通过空气桥工艺(图6)，使用金属互联线连接相邻LED的P极和η极，形成高压级联LED。优选的，通过共η极实现芯片层面并联的LED结构(图7)。
[0033]在同一模块上级联N个LED，例如Ν=9(图8)，可实现功能型LED收发模组的制备。
[0034]所述的功能型LED收发模组可以通过芯片层面级联实现，也可以通过分立的双功能LED器件串并联实现，其封装模式是正装或是倒装的。
[0035]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种双向传输的可见光通信装置，能够在可见光波段范围内同时实现下载和上传数据，包括上行通信链路和下行通信链路，其特征在于，具体包括放大器，偏置树，功能型LED收发模组，ΡΙΝ/AH)并LED收发模组和滤波电路模块;功能型LED收发模组包括工作于发光模式的LED发射端和工作于光电探测模式的LED接收端，PIN/APD并LED收发模组包括PIN/APD光电探测器和工作于发光模式的LED发射端； 所述上行通信链路由放大器，偏置树，PIN/APD并LED收发模组中的LED发射端、功能型LED收发模组中的工作于光电探测模式的LED接收端、滤波电路模块和放大器组成，实现LED到LED的通信； 所述下行通信链路由放大器、偏置树、功能型LED收发模组中的工作于发光模式的LED发射端、ΡΙΝ/AH)并LED收发模组中的ΡΙΝ/AH)光电探测器、放大器组成； 上行通信链路中的发射端LED的工作峰值波长与下行通信链路中的发射端LED的工作峰值波长相差20-100nm; 功能型LED收发模组由N个在LED外延结构上加了功能型材料的双功能LED器件组成，N为大于等于I的正整数，双功能LED能够分别工作于发光模式和光电探测模式，可同时发射和接收信号。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上述功能型LED收发模组是在LED外延结构最上层外延生长一层功能型材料，该功能型材料为重掺杂的η型ZnO外延薄膜，即n+-ZnO，具体为掺Al的ZnO(AZO)或掺Ga的ZnO(GZO)层，其掺杂的载流子浓度在118Cnf3到121Cnf3量级范围内，其厚度为10纳米至400纳米； 功能型LED收发模组中LED发射端的LED芯片形状为圆形，或者为长宽比小于或等于5:1的矩形； 功能型LED收发模组中工作于光电探测模式的LED接收端:其结构为: n+-ZnO/InGaN/p-GaN/InGaN-GaN多层量子阱(MQW)/n-GaN基因结构单元；InGaN-GaN多层量子阱(MQW)周期数I至15个，量子阱中铟含量优选原子百分比12%至20%，使光响应曲线的峰值波长在360nm-420nm范围，可探测到近紫外-蓝光波段的信号，其峰值响应度大于0.1A/Wo3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上述功能型LED收发模组中N个LED器件串联或并联连接，或是串联加并联的级联模式； 功能型LED收发模组是通过芯片工艺层面将N个双功能LED器件集成于同一个外延片上实现级联，或通过COB形式实现级联，或是分立的双功能LED器件组合； 双功能LED器件的封装形式是正装或倒装。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上行通信链路，其通信过程为:调制的信号经过放大器和偏置树，驱动PIN/APD并LED收发模组中的LED发射端，实现电光转换，发射信号，经过自由空间，到功能型LED收发模组中的工作于光电探测模式的LED接收端接收信号，实现光电转换，再经过滤波电路模块和放大器放大信号，并最终做信号解调处理，实现LED到LED的通信。5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，上行通信链路的ΡΙΝ/AH)并LED收发模组中的LED发射端，其工作的峰值波长为370nm-410nm，LED接收端是加了功能型材料的工作于光电探测模式的LED，即功能型LED接收端，其响应曲线的峰值波长为360nm-420nm，接收到的信号进一步经过滤波和放大处理。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述的下行通信链路，其通信过程为:调制的信号经过放大器和偏置树，驱动功能型LED收发模组中工作于发光模式的LED发射端，实现电光转换，发射信号，经过自由空间，到PIN/APD并LED收发模组中的PIN/APD光电探测器接收实现光电转换，进一步经过放大器放大信号，并最终做信号解调处理。7.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于:下行通信链路的功能型LED收发模组中工作于发光模式的LED发射端，其工作的峰值波长为430-470nm，接收端为ΡΙΝ/AH)并LED收发模组中的ΡΙΝ/AH)光电探测器，接收到的信号进一步经过滤波、放大处理。
【文档编号】H04B10/116GK105915284SQ201610256029
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】滕东东, 刘立林, 王钢, 孙振坤
【申请人】中山大学